„Jednoduché“ mendelovské fenotypy – srpkovitá anémie Většina „jednoduchých“ mendelovských systémů ve skutečnosti mnohem složitější srpkovitá anémie: zpravidla jako jednonukleotidový znak (SNP) – substituce v 6. kodonu genu pro b-řetězec hemoglobinu: Glu ® Val Þ alela A ® S (S zpravidla považována za „recesivní“ vůči A) http://huberb.people.cofc.edu/www/Classroom%20Visuals/101%20Visuals/Chapter%202%20Images/sickled%20 red%20blood%20cells.jpg + Fenotypy spojené s alelou S: 1. Pohyblivost v elektrickém poli AA AS SS obě alely jsou kodominantní start 2. Srpkovitost nízký parciální tlak O2 ® alosterická změna – vazba na a-řetězec, tvorba dlouhých řetězců Þ deformace krvinky srpkovitost u SS i AS jedinců Þ z hlediska deformace je S dominantní http://media1.razorplanet.com/share/510611-8783/siteImages/HOPE%20Initiative/sicklecell_11316005374 .jpg http://medicalassessment.net/images/sickle-cell-anemia.jpeg Fenotypy spojené s alelou S: 3. Srpkovitá anémie u jedinců SS řetězce delší Þ větší deformace krvinek Þ fatálnější dopady na organismus: rozpad krvinek (anémie), ucpávání cév atd. pleiotropie, velký rozptyl fenotypových projevů http://img.breakingmuscle.com/sites/default/files/imagecache/full_width/images/bydate/20121106/shut terstock95528164.jpg Fenotypy spojené s alelou S: Výsledek obrázku pro oxycephaly 3. Srpkovitá anémie klinický syndrom jen u SS Þ alela S vůči A recesivní 4. Rezistence vůči malárii zimnička tropická (Plasmodium falciparum) komáři Anopheles odstraňování srpkovitých erytrocytů slezinou rozpad defektních buněk z hlediska rezistence alela S dominantní III.2.tif File:Plasmodium falciparum 01.png http://ucce.ucdavis.edu/files/repository/calag/img6102p58b.jpg Fenotypy spojené s alelou S: 4. Viabilita nemalarické prostředí: S recesivní malarické prostředí: SS – silná anémie; AA – malárie; AS – žádná anémie, slabá malárie Þ alela S je superdominantní Alela S může být dominantní, recesivní, kodominantní nebo superdominantní v závislosti na měřeném fenotypu a na prostředí. Dominance/recesivita není vnitřní vlastností alely – ve vztahu genotypu a fenotypu je rozhodující kontext! Fenotypy spojené s alelou S: fenylalanin hydroxyláza: Phe ® Tyr ... několik mutací způsobujících ztrátu funkce kk homozygot: fenylketony v moči bledší pokožka (protože Tyr ® melanin) mentální retardace potrava bez Phe ® bez retardace po ukončení vývoje mozku PKU nezpůsobí retardaci Þ interakce genotypu kk s prostředím se během ontogeneze mění „Jednoduché“ mendelovské fenotypy – fenylketonurie (PKU) http://i.ytimg.com/vi/8HG7AXV6YQI/hqdefault.jpg díky dietě můžou mít i kk matky děti, ale v jejich krvi velké množství Phe a fenylketonů Þ potomci s genotypem Kk, za normálních okolností bez retardace, se rodí s mentálním postižením Þ z genotypu nelze predikovat fenotyp Þ nedědí se znak mentální retardace, ale odpověď na prostředí (potrava, maternální prostředí) kurděje jsou způsobeny nedostatkem vitaminu C primáti podřádu Haplorrhini (včetně člověka) mají nefunkční enzym L-gulonolaktonoxidázu, který produkuje vitamin C http://dietsinfo.org/wp-content/uploads/2013/05/Scurvy.jpg „Jednoduché“ mendelovské fenotypy – kurděje Přestože kurděje jsou stejně jako PKU způsobeny geneticky, PKU považována za genetickou poruchu, kdežto kurděje za chorobu vyvolanou prostředím ® PROČ? Protože jsme všichni homozygotní pro neschopnost syntézy vitaminu C a nedostatek vit. C je vzácný, naopak frekvence homozygotů kk je nízká a Phe v potravě prakticky všudypřítomný. Þ Vzácnější komponenta na populační úrovni způsobuje silnější asociace s fenotypem: u kurdějí = prostředí (tj. absence vitaminu C), u PKU = genotyp (tj. homozygot kk) 1900 – 1920: konflikt mezi „mendelisty“ a „biometriky“ DarwiN | Facebook Gregor Mendel (1985) | Biologia, Genetica, Ensino de biologia http://guestblog.scientopia.org/wp-content/uploads/sites/35/2012/07/10-03.gif William Bateson Thomas H. Morgan http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/49/Sexlinked_inheritance_white.jpg http://www.nature.com/scitable/content/ne0000/ne0000/ne0000/ne0000/6738821/EssGen_WhiteandRedEyedFl ies_MID_0.jpg mendelisté Francis Galton Karl Pearson http://img.sparknotes.com/figures/A/a3aa6bb95c7d70781cc0089d17f9160f/direct.gif biometrikové Caveman politics: why it's height that really matters in the corridors of power | The Independent | The Independent Ronald A. Fisher Ronald A. Fisher (1918) více genů např. 6 lokusů s úplnou dominancí ® 7 fenotypových tříd (0, 1, 2,…, 6 dominantních alel) Ronald A. Fisher vliv prostředí Ronald A. Fisher (1918) http://blog.scs.sk.ca/bwapple/image18.png Jsou všechny mendelovské znaky skutečně „kvalitativní“? Normální rozdělení: průměr (m) rozptyl (s2) marble-run.jpg Normal.tif Galtonova deska FENOTYP = GENOTYP + PROSTŘEDÍ sP2 = sG2 + sE2 sG2 = sA2 + sD2 + sE2 = podíl celkové fenotypové variability, kterou lze vysvětlit genotypem aditivní rozptyl dominanční rozptyl pokud více lokusů: sP2 = sA2 + sD2 + sI2 + sE2 epistatický rozptyl + kovariance genotypu s prostředím, případně další kovariance Aditivita a epistáze: aditivita: účinky jednotlivých genů se sčítají epistáze: jednotlivé geny interagují, vzájemně se ovlivňují The top row indicates interactions between two genes that show either (a) additive effects, (b) positive epistasis or (c) reciprocal sign epistasis. Below are fitness landscapes which display greater and greater levels of global epistasis between large numbers of genes. Purely additive interactions lead to a single smooth peak (d); as increasing numbers of genes exhibit epistasis, the landscape becomes more rugged (e), and when all genes interact epistatically the landscape becomes so rugged that mutations have seemingly random effects (f). Pozor, „dominance“ a „epistáze“ jsou rezidua, tj. nemají stejný význam jako v mendelovské genetice: sE2 = sP2 – sG2 E = vše, co nelze vysvětlit genotypem sD2 = sG2 – sA2 D = část genetického rozptylu, který nelze vysvětlit aditivním rozptylem sI2 = sG2 – sA2 – sD2 I = část genetického rozptylu, který nelze vysvětlit aditivním ani dominančním rozptylem Heritabilita (dědivost), h2 v širším smyslu: v užším smyslu: V praxi se heritabilita zpravidla uvažuje jen v užším smyslu podíl celkové genetické složky podíl aditivní genetické složky m mp selekční diference = intenzita selekce: S = mP - m průměr selektovaných rodičů průměr celé populace Heritabilitu lze vyjádřit i pomocí selekční diference a selekční odpovědi: m mp m0 selekční diference = intenzita selekce: S = mP - m průměr selektovaných rodičů průměr celé populace selekční odpověď: R = mO - m průměr potomků selektovaných rodičů průměr celé populace odpověď na selekci je dána její silou váženou dědivostí: R = Sh2 Þ heritabilita: h2 = R/S Heritabilitu lze vyjádřit i pomocí selekční diference a selekční odpovědi: protíná osu x v bodě celkového průměru m Jiné metody odhadu: korelace/regrese ® rodič-potomci, srovnání příbuzných, jednovaječná dvojčata znaky spojené s fitness (přežívání, počet potomků) fyziologické (např. účinnost metabolismu, procento tuku v mléce, koncentrace sérového cholesterolu) behaviorální (např. rodičovská péče, rozmnožování, fototaxe) morfologické (např. velikost těla, výška, počet štětin) nízké heritability vysoké heritability Proč má fitness nízkou heritabilitu? • dlouhodobý selekční tlak vyčerpal aditivní variabilitu u znaků spojených s fitness, ale ne u morfologických znaků • relativní rozsah VA, VD a VI je různý; ve skutečnosti nižší heritabilita znaků spojených s fitness způsobena vyšší úrovní VD, VI a VE, ne nižším stupněm VA Pozor, heritabilita v jedné populaci může být odlišná od heritability v jiné populaci téhož druhu! Různé populace ® může být odlišný fenotyp jiné alely? jiné frekvence alel? jiná prostředí? jiný vztah genotyp-fenotyp? nebo jejich vzájemné kombinace? A a A A A A a a a a A a A A A a a a a a Vector Cartoon Illustration Beautiful Spring Sunny Stock Vector (Royalty Free) 385534651 49,320 Cartoon Forest Animals Stock Photos, Pictures & Royalty-Free Images - iStock Fisherovská kvantitativní genetika založena na odchylkách od průměru např. Pearsonův korelační koeficient: Protože heritabilita je vnitropopulační veličina, nemůže vysvětlit biologické příčiny fenotypových rozdílů mezi populacemi! ´ Přesto často tvrzení, že když je znak dědivý v populacích s odlišnými průměry, je tento rozdíl také dán geneticky Rozdíly v inteligenčním kvocientu (IQ): Znamenají vysoké hodnoty dědivosti IQ, že rozdíly mezi skupinami jsou způsobeny genetickými rozdíly? Skodak & Skeels (1949): porovnání IQ adoptovaných dětí s jejich adoptivními i biologickými matkami vysoká korelace mezi IQ dětí a jejich biologických matek r = 0,44 Þ h2 = 0,88*) Þ ve skupině adoptovaných dětí je hlavním determinantem genetická složka Je IQ určeno geneticky i na individuální úrovni? Žádné vlivy prostředí? http://i2.ytimg.com/vi/q6O8AcX9WQI/mqdefault.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fd/Atr-x.jpg *) globální průměr IQ = 100 průměr IQ biologických matek adoptovaných dětí = 86 Þ intenzita selekce S = 86 – 100 = -14 při heritabilitě 0,88 je selekční odpověď R = -14 ´ 0,88 = -12,32 Þ očekávané průměrné IQ adoptovaných dětí by mělo být 100 – 12,32 = 87,68 ´ ve skutečnosti průměrné IQ dětí = 107, tj. skoro o 20 bodů víc » průměrné IQ jejich adoptivních matek globální průměr IQ = 100 průměr IQ biologických matek adoptivních dětí = 86 Þ intenzita selekce S = 86 – 100 = -14 při heritabilitě 0,88 je selekční odpověď R = -14 ´ 0,88 = -12,32 Þ očekávané průměrné IQ adoptivních dětí by mělo být 100 + R = 87,68 ´ ve skutečnosti prům. IQ dětí = 107, tj. skoro o 20 bodů víc » prům. IQ jejich adoptivních matek Proč? biologické matky ze spodních socioekonomických příček ´ adoptivní matky z horních příček Þ prostředí adoptivních rodičů mělo signifikantní dopad na vzrůst průměrného IQ adoptivních dětí Závěr: • IQ má vysokou dědivost a fenotypová variabilita u adoptovaných dětí je způsobena především genetickou variabilitou • IQ těchto dětí je silně ovlivněno prostředím Jak to jde dohromady? korelační koeficient měří párová srovnání ve vztahu k příslušnému populačnímu průměru Þ matky s IQ pod průměrem 86 budou pravděpodobněji mít děti s IQ pod dětským průměrem 107 a naopak viz: prvním krokem výpočtu korelačního koeficientu je odečtení průměrů (86, 107) Þ heritabilita je ovlivněna pouze odchylkami od průměru, ne průměrem samotným Odlišná reakce genotypů na prostředí: Clausen et al. (1948): řebříček (Achillea) Aspen Valley: 1950 m n.m. ® nařízkování a přesazení do různých nadmořských výšek 3050 m 1400 m 30 m 7 různých genotypů VG: ve stejném prostředí různé fenotypy VE: průměrný fenotyp různý v odlišných prostředích VG´E: genotypy na různá prostředí reagovaly odlišným způsobem Fenotypová odpověď genotypu na faktory prostředí = norma reakce Fenotypová variabilita řebříčku v různých prostředích měla 3 příčiny – kombinace fenotypových rozdílů mezi genotypy fenotypových rozdílů mezi prostředími rozdílů ve fenotypové změně genotypů pro odlišná prostředí Selekce působící na kvantitativní znaky: usměrňující stabilizující disruptivní Lokusy kvantitativních znaků = QTL (quantitative trait loci) asociace znaku s variantami molekulárních markerů (LD) markery by neměly být součástí QTL a měly by být selekčně neutrální nutná velká hustota markerů (< 5 cM) problémy: mnoho genů s malým účinkem, epistáze někdy slabá korelace genetické a fyzické vzdálenosti (hlavně při podrobnějším mapování) Linkage_2.jpg vazba mezi nejvzdálenějšími markery! absence vazby mezi nejbližšími markery! problémy: oblasti s častými mutacemi (většinou se předpokládá infinite-alleles model, stejná mutační rychlost v různých částech sekvence a stejná pravděpodobnost pro různé typy substitucí) Þ výhodné vybírat populace, které prošly bottleneckem nebo efektem zakladatele rozhodující míra fenotypového dopadu QTL (major loci, minor loci) a míra rekombinace mezi markerem a QTL Lokusy kvantitativních znaků = QTL (quantitative trait loci) Mapování QTL pomocí jednotlivých markerů: F2 design (recombinant inbred line design): 2 inbrední linie s odlišným fenotypem i markery všichni jedinci heterozygotní pro QTL i markery rekombinace LOD skóre*) = log10 [L(H1)/L(H0)] … L = věrohodnost (likelihood) H0 = hypotéza, že v oblasti rX není QTL, H1 = QTL je přítomen korekce pro vícečetné testy Mapování QTL pomocí mnoha markerů Intervalové mapování (flanking-marker QTL analysis): *) logarithm of the odds Storchová et al., Mammalian Genome (2004): a = 0,63 a = 0,05 a = 0,001 konfidenční intervaly chromozom X QTL, nebo QTR (quantitative trait regions)? kandidátní geny (bohužel jen geny, které jsou známy) problémy: pleiotropie a epistáze např. lokus ApoE (apolipoprotein E): hladina sérového cholesterolu, sérového b-lipoproteinu a sérových glyceridů; onemocnění srdečních cév (CAD), Alzheimer, onemocnění periferních cév, vývoj neuronových synapsí, náchylnost k roztroušené skleróze, optická neuropatie chronického glaukomu (zeleného zákalu), kognitivní funkce, riziko demence a periferní neuropatie po infekci HIV-1, věk propuknutí Huntingtonovy choroby, makulární degenerace, věk propuknutí schizofrenie, riziko poruchy z důvodu fetální jódové deficience, riziko a věk propuknutí Parkinsonovy choroby, sklon ke snížení kognitivních schopností po úrazu hlavy, odpověď na specifické typy virových nákaz a rezistence vůči malárii, reakce na léky, obezita atd.